如何設計和製造用於工業用途的物聯網網關

你需要為各種嚴苛環境打造工業物聯網閘道解決方案。你的網關應該是強大、安全，並且能夠滿足未來的擴展需求。許多行業都使用物聯網閘道器來連接機器，處理資料並連接到雲端。 2024年，全球工業物聯網閘道市場規模達到2.9億美元，預計到2030年，這一數字將以每年近12%的速度成長。製造業企業佔了其中超過42%的市場。在建置或選擇網關之前，你應該始終先考慮自身的需求。

關鍵要點

• 知道你需要什麼 在設計物聯網閘道之前，請確保您的解決方案符合您所在產業的實際需求。

• 使用物聯網閘道連接設備和雲端。這有助於更好地處理數據並降低網路流量。

• 使用強密碼，確保安全。定期更新並分割網絡，以保障網關安全。

• 選擇合適的硬體 在你的空間裡要合適。想想它有多堅固，以及它是否與你現有的系統相容。

• 您可以選擇自行建置網關，也可以購買現成的網關。請考慮您的專案工期和所需配置。

物聯網閘道在工業中的作用

連接裝置與雲

物聯網網關可協助機器、感測器和控制器與雲端通訊。這些網關直接從物聯網設備獲取數據，並在將數據發送到雲端之前對其進行處理和排序。這可以提高系統運作效率並減少網路流量。您可以查看下表了解網關的功能：

功能	簡介
數據採集	從感測器、I/O 裝置取得數據， PLCs.
協議轉換	將資料轉換為雲端可相容的格式。
實時監控	快速提供有關生產和設備的最新資訊。
的EdgeComputing	就近處理數據，以提高速度和效率。
安全防護	在資料傳輸過程中保護您的資料安全，並阻止外部攻擊。

你用 類似 Modbus、MQTT 等協議OPC UA、HTTP/HTTPS 和 TCP/IP 等協定用於在裝置和雲端之間傳輸資料。這些協定有助於確保訊息的安全性和穩定性。透過工業物聯網網關，您可以利用邊緣運算快速做出決策，從而迅速應對工廠的變化。

連接IT和OT系統

您需要 連結你的資訊技術 網關可以將資訊科技 (IT) 系統與營運技術 (OT) 系統連接起來。網關能夠轉換數據，使雙方都能相互理解和溝通。透過這種連接，您可以隨時隨地監控和控制機器。

使用工業物聯網閘道連接IT和OT，您可以獲得以下主要優勢：

• 減少停機時間

• 更好的產品品質

• 減少浪費

• 在問題擴大之前就解決它們。

網關還能讓您在一個平台上管理所有裝置。您可以輕鬆更新軟體、檢查裝置狀態並變更設定。即時查看數據有助於您優化生產流程並及早發現問題。工業物聯網閘道器中的安全工具可保護您的營運技術系統免受駭客攻擊。在公司內部共享資料的同時，您也能確保工作安全。

工業物聯網閘道設計步驟

需求和用例

首先，您需要明確工業物聯網閘道器的功能。不同的工作場景對物聯網閘道器的需求各不相同。在工廠中，網關幫助機器互聯，簡化人們的工作。網關使機器能夠彼此通信，並與雲端連接。這有助於您收集數據並做出更明智的決策。

以下是您可以使用工業物聯網閘道的一些方式：

• 你讓機器和雲端立即對話。

• 您可以更好地追蹤產品和資源。

• 您可以在舊工廠中新增網關以連接資料來源。

• 您使用邊緣處理來阻止問題並連接到 ERP 系統以避免停機。

• 您在製造車輛、機器人和農場感測器時會使用網關。

• 在採礦和重體力勞動中，你需要觀察儀表和傳送帶。

• 工廠環境惡劣，所以需要堅固耐用的感測器和設備。

行業規則決定了您的需求。您必須遵守安全、協作和價格方面的規則。下表展示了規則如何改變您的網關設計：

標準對工業物聯網閘道設計的影響	簡介
網路安全合規性	確保工業物聯網閘道免受威脅。
互通性改進	規則有助於不同製造商的產品協同工作。
降低成本	運用規則可以提供最佳的做事方法，進而降低建築成本。
適應獨特的工業物聯網挑戰	規則必須符合工業物聯網特有的風險和問題。

物聯網閘道器的硬體選項

工業物聯網網關的硬體選擇非常豐富。您可以選擇單板計算機、系統模組或微控制器。每種方案都有其優缺點。下表列出了一些常用網關型號的比較：

網關模型	蜂窩連接	我們的強項	弱點
Raspberry Pi 4 B型	非內建；需要額外的適配器	價格非常便宜，靈活，而且擁有龐大的用戶群。	並非為工廠設計，沒有內置蜂窩網絡，安全方面需要改進。
西門子 Simatic IoT2050	蜂窩網路需要 Mini PCIe 卡。	非常可靠，與西門子系統配合良好 PLCs.	細胞生物學更難學，它是額外的一門學科。
羅克韋爾自動化 Optix Edge	蜂窩網路並非主要功能	與 Logix 控制器和 FactoryTalk 配合使用效果極佳。	沒有內建蜂窩網絡，專為特定係統設計。
戴爾 Edge Gateway 5000 系列	需要額外的手機插槽。	強大的英特爾晶片、精良的做工和全球支援。	較適合IT產業，可能需要其他軟體。
Robustel EG5120	內建全球4G LTE Cat 4，支援雙SIM卡	高速ARM晶片，內建蜂窩網路功能。	不適用

您還應該考慮硬體的使用壽命。有些硬件，例如 RCO-1000 系列，專為重要任務而設計。它們非常堅固耐用，使用壽命長，散熱性能良好。而另一些硬件，例如 Raspberry Pi，則適合實驗室環境，但可能無法在惡劣環境下穩定運作。務必檢查您的硬體是否擁有相應的認證，並且能夠承受高強度的工作。

PCB設計與製造

在為物聯網閘道器製作印刷電路板時，你需要考慮它的效能和使用壽命。 PCB設計 有助於提升網關的運作效率並延長其使用壽命。以下是一些建議：

1. 選擇符合您需求的PCB材質。

2. 對於複雜的線路連接和訊號阻斷，可以使用更多圖層。

3. 零件放置位置需有清楚的標記，並預留機器運轉的空間。

4. 確保孔位與零件完全吻合。

5. 選擇可以彎曲和搖晃而不斷裂的部件。

6. 焊接時要使用適當的溫度，通常為 245-260°C。

7. 使用雷射模板塗覆焊膏。

8. 均勻塗抹助焊劑，以獲得良好的焊接效果。

9. 焊接完成後檢查電路板，以便快速發現問題。

你應該多次搭建並測試你的PCB板。這有助於你在大量製作之前發現並修復錯誤。如果你的網關使用無線連接，請匹配天線和PCB板上的線路以獲得最佳訊號。增加硬體加密和安全啟動功能，以確保你的資料安全。

提示：使用模組化和參考設計可以使您 電路設計 速度更快。您可以直接使用現有的設計，並根據需要進行修改。

連接性和邊緣運算

您的工業物聯網閘道需要連接到眾多設備和網路。您可以選擇有線或無線連線。有線連接穩定可靠。而無線連線（例如 4G 或 5G）則可讓您將網關部署在更多位置。

連線選項	對邊緣運算效能的影響
有線和無線	即使網路中斷，也能進行切換或備份，確保資料傳輸不會中斷。
本地分組	透過允許資料離開附近的蜂窩網絡，從而加快傳輸速度。
全球合規	資料保存在同一區域，確保資料安全，以便於管理。
統一管理	確保連線在任何地方都能正常運作，這對於邊緣作業來說非常重要。
成本控制	免漫遊費，因此使用大量數據更省錢。

邊緣運算讓您能夠在資料產生地點附近進行處理。這意味著更少的等待時間和更節省的資料空間。您可以在邊緣端對資料進行排序和分析，然後再將其傳送到雲端。借助 5G 和邊緣運算，您可以獲得更快的速度和更少的等待時間。這對於工廠中的即時數據處理和快速決策至關重要。

• 邊緣運算透過在附近處理資料來提高處理速度。

• 因為上傳到雲端的資料量減少了，所以可以節省資料空間。

• 5G 提供更快的速度，減少即時工作的等待時間。

安全注意事項

您需要保護工業物聯網閘道免受攻擊。安全始於作業系統和網路。使用強密碼，定期更新軟體，並將網路劃分為多個部分。無論您使用雲端伺服器還是自有伺服器，都應根據自身情況調整安全性原則。

「工業物聯網閘道設計的重要安全措施包括增強作業系統安全性、分割網路、確保雲端安全以及持續進行安全檢查。專家表示，您需要設定強密碼、定期更新系統，並制定針對您自身環境的安全計畫。”

常見問題包括協定老化、軟體漏洞、安全鎖薄弱、設定錯誤。不法分子可能會利用惡意軟體攻擊您的網關或利用轉換器中的漏洞。您必須保持安全模組更新，並密切監控設備是否有故障。

漏洞類型	簡介
過時的協議	許多控制器使用舊協議，因此容易受到攻擊。
軟件漏洞	物聯網閘道器中的漏洞可能讓不法分子入侵並控制設備。
實體安全漏洞	如果有人取得了你的設備，他們就可以竄改你的系統。
配置問題	物聯網網關的錯誤設定可能會讓攻擊者有機可乘。
針對工業協定的惡意軟體	FrostyGoop 和 Fuxnet 等惡意軟體會利用工業資訊中的弱點。
暗網上的漏洞利用	物聯網閘道中的新問題可以賣個好價錢。
轉換器中的關鍵漏洞	轉換器出現問題可能導致攻擊者控制所有連接的裝置。

您應該始終在網關中新增安全模組。這有助於保護資料、訊息和監控工具。透過這些措施，您可以建立一個強大、安全、可靠的工業物聯網閘道。

參考設計和關鍵零件

物聯網閘道器的通用架構

您可以使用參考設計來更快地完成網關專案。這些設計展示如何連接感測器、處理數據並將其發送到雲端。例如，TIDEP0084 設計使用 TI Sitara 處理器和 SimpleLink 裝置。它透過遠端無線網路連接感測器，並可與雲端應用程式配合使用。下表顯示了該設計的功能：

參考設計	簡介
潮汐0084	該設計利用遠距離Sub-1 GHz無線網路將感測器連接到雲端，適用於樓宇控制和資產追蹤等應用。它採用Linux網關和TI Sitara AM335x處理器，並搭載SimpleLink裝置。該設計已預先安裝用於連接和使用雲端應用的軟體。

你應該選擇 模塊化設計模組化設計可讓您新增功能或替換部分組件，而無需更改所有程式碼。這使得您的網關易於更改和更新。微服務架構有助於您在不停止其他元件運行的情況下修復或更新單一元件。您可以根據需要擴展您的物聯網系統。

提示：模組化設計有助於您使用新技術並更快地解決問題。

關鍵電子元件

建造一個堅固耐用的工業網關需要一些特殊的部件。這些部件能夠幫助您的設備在惡劣環境下穩定運行，並確保資料安全。以下是您需要的主要部件：

• CPU：執行命令和處理資料。

• 記憶體：為快速資料處理提供空間。

• 通訊模組：連接感測器和雲端。

• 協定轉換模組：轉換資料格式。

• 現場匯流排介面：連接舊工廠系統。

• 邊緣運算模組：在資料產生地點附近處理資料。

• 安全模組：防止網路威脅。

• 電源模組：確保網關在惡劣環境下正常運作。

• 外殼和散熱管理：保護零件免受熱和灰塵的影響。

您還需要安全啟動、加密儲存、防火牆和 VPN 支援等功能。這些功能可以保護您的物聯網閘道免受攻擊。看門狗定時器和遠端管理功能可以幫助您在問題導致系統停止運作之前將其解決。有了這些關鍵元件，您的網關就能在任何工廠環境中有效地收集、處理和發送資料。

自行建置還是購買物聯網閘道？

選擇是否應該 自行建置或購買物聯網網關 這是一個重大選擇。你需要考慮自身需求、預算以及希望物聯網專案多快完成。兩種方式各有利弊。

建造的利弊

如果您自行建立網關，您可以添加一些特殊功能，例如連接多種物聯網設備，更好地控制安全性，並使其更符合您的工廠需求。但搭建網關需要更多的時間和成本，您需要專家協助搭建和維護，也需要自行更新和維修。

這裡有一張表格可以幫助您進行比較：

客製化物聯網閘道器的優勢	現成解決方案的缺點
客製化功能和整合能力	有限的自定義選項
與傳統系統的高級集成	隨著複雜性的增加，維護成本也會增加。
獨特的功能帶來競爭優勢	與客製化解決方案相比，實施速度較慢。
長期成本效益	可能無法滿足特定的合規要求
增強的安全性和隱私控制	擴展和調整的靈活性降低

您將獲得強大的安全性、對多種協定的支援以及遠端管理功能。但您需要在初期投入更多資金，並且需要自行完成所有設定。

何時購買現成產品

購買現成的網關可以節省時間並降低風險。您可以提前 6 到 12 個月完成物聯網專案。如果您希望快速推出產品，這將非常有利。現成的網關通常會提供協助、更新和憑證。這意味著您可以減少對設備故障或停止運作的擔憂。

購買時請檢查以下事項：

1. 您的物聯網設備將如何連接

2. 安全工具，保障您的資料安全

3. 電力消耗對遠端工作至關重要

4. 如果夠艱難，就難以應付困境。

5. 它處理邊緣分析資料的能力如何

6. 如果公司提供良好的幫助和服務

7. 如果你可以輕鬆更新軟體的話。

8. 如果價格合理，物有所值。

如果您只需要一些基本功能，例如遠端設定和更新設備，那麼現成的網關是最佳選擇。但如果您需要特殊功能或希望您的產品與眾不同，它們可能就無法滿足您的需求了。

商業決策因素

您應該考慮價格、品質以及產品的獨特之處。自行搭建可以添加酷炫的功能，但購買成品可以節省成本，並確保系統運作更流暢。對於大型專案而言，長期總成本至關重要。自行搭建乍看之下可能更便宜，但後製、測試和維護的成本更高。如果您需要大量網關或必須遵循嚴格的規則，那麼購買現成的網關可能會更划算。

特徵類型	簡介
共同特徵	大多數產品都需要用到，例如裝置設定和更新。通常來說，購買正版會比較划算。
產品特性	為您帶來競爭優勢，可能需要客製化網關開發。

提示：如果您需要快速成長或希望降低風險，可以購買現成的網關。如果您有特殊需求或希望完全掌控網關，那麼自行建立網關可能是最佳選擇。

始終選擇符合您的業務目標以及您的數據和設備需求的產品。

只需幾個簡單的步驟，即可建立強大的工業物聯網閘道。務必確保網關滿足工廠的實際需求。規劃時要考慮到網關未來的擴展性。始終牢記安全問題。以下是一些您可以採取的步驟：

1. 選擇適合你工作且性能穩定的硬體。

2. 根據您的網站和設備數量規劃網路。

3. 安裝軟體和安全措施以確保安全。

4. 選擇適用於即時作業的資料協定。

5. 制定包含防火牆和定期檢查的安全計畫。

6. 設定遠端監控和快速解決問題的方法。

7. 採用預測性維護並維持系統更新。

密切注意新的安全風險，並確保您的網關可以根據需要進行更改。

常見問題

工業物聯網閘道器的主要功能是什麼？

工業物聯網閘道幫助機器和感測器與雲端通訊。它收集資料、改變資料傳輸方式並保護您的網路。

如何保障物聯網閘道器的安全？

你需要設定強密碼並經常更新軟體。設定防火牆來阻止惡意流量。定期檢查設備是否有問題，並啟用安全啟動。 確保他們安全.

樹莓派可以當工業網關嗎？

樹莓派很適合學習或測試想法。但在實際工廠中，你需要… 更堅固的硬件它必須能夠承受高溫、灰塵，並且能長時間工作。

工業物聯網網關支援哪些協定？

• MQTT

• MODBUS

• OPC UA

• HTTP / HTTPS

• TCP / IP協議

這些協定允許您的裝置彼此之間以及與雲端共享資料。